用于產(chǎn)品高速運(yùn)動(dòng)下缺陷檢測(cè)的演示裝置

孫多洋，嚴(yán) 豪，嚴(yán)小誠(chéng)，葉傳剛

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233000；2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣水卷煙廠， 湖北 廣水 432700）

一、引言

現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)器生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣，生產(chǎn)速度越來(lái)越快，傳統(tǒng)的人工抽檢方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)需要，高速生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的外觀有一定幾率產(chǎn)生缺陷，缺陷產(chǎn)品流入市場(chǎng)影響企業(yè)的形象，給消費(fèi)者留下不好的影響。基于“新基建”5G技術(shù)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的提出，本文利用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品外觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，利用5G CPE進(jìn)行大量圖像數(shù)據(jù)傳輸，給出伺服電機(jī)和工業(yè)相機(jī)的選型，對(duì)演示裝置進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

二、整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）整機(jī)主要技術(shù)要求

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)裝置設(shè)計(jì)檢測(cè)工件1000個(gè)/min，由6個(gè)部分組成，如圖1所示。其中，檢測(cè)組件是核心部分，負(fù)責(zé)圖像的采集和工件的平穩(wěn)運(yùn)行；控制部分位于下框架組件中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、分析和自學(xué)習(xí)；絲桿調(diào)節(jié)臺(tái)主要調(diào)節(jié)工業(yè)相機(jī)和光源與工件之間的距離，確保圖像采集的清晰，便于更好的檢測(cè)；5GCPE是一種接受移動(dòng)信號(hào)并以無(wú)限WIFI信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出來(lái)的移動(dòng)信號(hào)接入設(shè)備，它也是一種將高速5G信號(hào)轉(zhuǎn)換成WIFI信號(hào)的設(shè)備，可支持同時(shí)上網(wǎng)的移動(dòng)終端數(shù)量也較多，大量應(yīng)用于單位，工廠，小區(qū)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入，能節(jié)省鋪設(shè)有線設(shè)備的費(fèi)用[1]；顯示器用于人機(jī)交互，把采集到的圖像呈現(xiàn)出來(lái)，可在其上設(shè)置多個(gè)缺陷檢測(cè)點(diǎn)，設(shè)置合適的極值即可檢測(cè)出缺陷工件，在下個(gè)工位剔除。

（二）檢測(cè)組件結(jié)構(gòu)方案

本裝置從頂部和側(cè)面對(duì)工件進(jìn)行圖像采集檢測(cè)，工業(yè)上觸發(fā)相機(jī)拍照的方式有傳感器觸發(fā)和相位觸發(fā)，本文利用編碼器采集相位，使用相位觸發(fā)拍照。傳統(tǒng)的多工位轉(zhuǎn)臺(tái)是由電機(jī)通過(guò)渦輪蝸桿傳動(dòng)、凸輪分割器、不完全齒齒輪傳動(dòng)、槽輪機(jī)構(gòu)等驅(qū)動(dòng)主軸，最終帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)及工件轉(zhuǎn)動(dòng)[2-3]。這些結(jié)構(gòu)方式相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，傳動(dòng)效率較低，不好實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)拍照的需求。依據(jù)上文分析可知，檢測(cè)組件的旋轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求較高，因此檢測(cè)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 檢測(cè)組件結(jié)構(gòu)示意圖

伺服電機(jī)輸出軸與聯(lián)軸器一端相連，聯(lián)軸器另一端通過(guò)軸與旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的軸承相連，電機(jī)固定在下框架組件的平臺(tái)上。設(shè)計(jì)這種類(lèi)型結(jié)構(gòu)形式，伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器相當(dāng)于直接帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，進(jìn)一步縮小結(jié)構(gòu)外形的同時(shí)，也提升了整個(gè)檢測(cè)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，另外，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的編程控制，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)靈活的啟?？刂坪腿我夥侄裙δ躘4]。

三、選型及計(jì)算

（一）電機(jī)選型計(jì)算

因?yàn)楸狙b置對(duì)精度要求較高，步進(jìn)電機(jī)容易出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，且在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)額定檢測(cè)速度1000個(gè)/min，一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4個(gè)工件，需要電機(jī)轉(zhuǎn)速250r/min，所以選用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源。本文選用AC交流伺服電機(jī)，它優(yōu)點(diǎn)是對(duì)速度、轉(zhuǎn)矩和位置的控制精度很高。下面對(duì)此伺服電機(jī)進(jìn)行選型計(jì)算：

已知旋轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量M=3kg，直徑R=120mm，旋轉(zhuǎn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速250r/min，旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速曲線

根據(jù)轉(zhuǎn)速曲線得出轉(zhuǎn)臺(tái)角加速度為：

本文工件質(zhì)量小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略不計(jì)。

由此得出轉(zhuǎn)臺(tái)加速過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩為：

根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩需求，結(jié)合電機(jī)T-N曲線，選擇伺服電機(jī)型號(hào)為ECMA-C10401AS，額定功率100W，額定扭矩0.32N·m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.037×10-4kg·m2。

（二）工業(yè)相機(jī)的選型

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心是圖像的采集與處理。所有信息均來(lái)源于圖像，圖像的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)極為關(guān)鍵。工業(yè)相機(jī)的選型主要是鏡頭的選型，鏡頭的成像是以凸透鏡的原理為基礎(chǔ)，通過(guò)透鏡的組合，把物體發(fā)出或者反射的光線成像在像平面上即圖像傳感器的像敏單元上，合理選擇并安裝光學(xué)鏡頭是保證清晰成像和獲得正常圖像信號(hào)的基礎(chǔ)[5]。

由于圖像傳感器尺寸、拍攝目標(biāo)距離和目標(biāo)的大小均已確定，根據(jù)公式計(jì)算可選擇合適的鏡頭焦距。當(dāng)目標(biāo)的像在CMOS芯片上占滿時(shí)，計(jì)算公式為：

本裝置的拍攝距離約110mm、CMOS圖像傳感器寬度和長(zhǎng)度分別為3.6mm和4.8mm，拍攝范圍是55mm×30mm，分別代入公式算得寬度和高度需要的焦距分別為7.2mm和9.6mm，因?yàn)殓R頭的焦距越小視場(chǎng)越大，為了保證寬度的足夠視場(chǎng)，系統(tǒng)選用了焦距為7mm的M12規(guī)格板級(jí)鏡頭。

（三）光源的選型

在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，光源是圖像采集性能穩(wěn)定的重要保障，它直接影響著圖像的質(zhì)量和應(yīng)用效果[6]。機(jī)器視覺(jué)常用的光源主要有：熒光燈、鹵素?zé)?、LED燈和激光光源等，LED燈與其它幾種燈相比較，具有如下特點(diǎn)：

1.體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)；

2.成本較低，光強(qiáng)穩(wěn)定；

3.高亮度，響應(yīng)速度快；

4.可以使用LED陣列組成不同的形狀。

基于本裝置現(xiàn)場(chǎng)及LED燈的特點(diǎn)，采用白色LED燈作為本裝置的照明光源。本裝置對(duì)工件外觀檢測(cè)，需要從兩個(gè)位置對(duì)工件的兩個(gè)面進(jìn)行圖像采集，同時(shí)，從各光源的安裝位置、各檢測(cè)面檢測(cè)的側(cè)重點(diǎn)及不同光源的特性等方面考慮，本裝置采用環(huán)形光源，環(huán)形光源相對(duì)其他光源體積較小，選擇了高亮度的貼片LED, 并且設(shè)計(jì)成最大能通過(guò)800mA電流。為防止現(xiàn)場(chǎng)灰塵對(duì)光源的污染，選擇了低折射率、高透光性的有機(jī)硅膠對(duì)其密封。

四、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了在高速運(yùn)動(dòng)情況下的產(chǎn)品外觀檢測(cè)裝置，給出伺服電機(jī)和工業(yè)相機(jī)選型依據(jù)。樣機(jī)檢測(cè)速度可達(dá)1000個(gè)/min，誤檢率為0.01%，利用5G CPE 進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸，上傳云端服務(wù)器，在服務(wù)器自學(xué)習(xí)分析圖像，再反饋給檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)效果進(jìn)一步提高，在未來(lái)高速產(chǎn)線上具有很好的移植性，修改安裝結(jié)構(gòu)后在生產(chǎn)線上各個(gè)工位都能直接安裝使用，從而減少設(shè)計(jì)研發(fā)周期，降低成本。